基于一維離面電子散斑干涉儀對復合材料的無損檢測

李 飛，張魯殷，胡曉君，李 鷹，曹 爽，石洪峰

(山東科技大學，山東青島 266590)

無損檢測技術(NDT，Nondestructive Testing)是新興的綜合性實用技術，它是在不破壞或不損壞被檢測對象的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常或缺陷存在所引起的對熱、聲、光、電、磁等反應的變化，來探測各種工程材料，零部件，結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和表面缺陷，并對缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及變化作出判斷和評價［1］。無損檢測檢測行業(yè)的重要分支，是工業(yè)發(fā)展中占有重要地位的有效工具，可以在一定程度反應某個國家的工業(yè)發(fā)展水平，現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)線中不可缺少的一部分。

電子散斑干涉技術(Electronic Speckle Pattern Interferometry，ESPI)，是利用激光技術、視頻技術、全息干涉技術、計算機圖象處理技術和散斑干涉技術等多種現(xiàn)代科學技術手段相結(jié)合的一種高精度光學測量技術，它是一種全場性、非接觸性，高靈敏性和高精度性的光學測量方法，現(xiàn)已廣泛應用于航空航天和精密機械制造等領域的無損檢測(NDT)，光學粗糙表面的位移或變形測量，振動情況分析等方面。無損檢測技術包含了基于各種技術的多種檢測方法。尤其是對復合材料的無損檢測，已經(jīng)成為研究的熱點，缺陷或損傷對復合結(jié)構(gòu)件的影響包括很多方面，其中對復合材料結(jié)構(gòu)靜強度疲勞性能和穩(wěn)定性影響的研究，已成為復合材料研究領域的熱點之一［2］。文章介紹了一種基于一維離面電子電子散斑干涉儀的對于復合材料在溫度的影響下的結(jié)構(gòu)性的檢測方法［3］。

1 儀器簡介

電子散斑干涉技術是繼全息干涉技術之后發(fā)展起來的一種物理實驗新方法。它舍棄了傳統(tǒng)的拍攝沖印照片復雜的濕處理過程，而直接依靠光學成像系統(tǒng)和計算機圖像采集處理系統(tǒng)獲得干涉條紋。這種方法在工程上已得到了較廣泛的運用。離面電子散斑干涉儀能實時觀察代表離面位移的干涉條紋，也可通過相移技術獲得被測表面的全場位移分布，可滿足實驗室科研和教學的要求。我們采用了卓力特光學儀器(蘇州)有限公司生產(chǎn)的離面電子散斑干涉儀，如圖1所示，用于測量物體離面位移。

圖1 離面電子散斑干涉儀

一維離面電子散斑干涉儀是基于Michelson干涉儀的原理開發(fā)完成的，其光路設計，如圖2所示。當物體發(fā)生離面位移時，物光和參考光之間光程差發(fā)生變化，從而使散斑干涉強度隨之產(chǎn)生變化，此時記錄下變形前后散斑干涉圖樣，經(jīng)過相減處理就可以得到反應位移變化的條紋，

圖2 離面電子散斑干涉儀光路圖

在圖2中，激光經(jīng)過擴束鏡、準直鏡之后成為平行光，入射到半反半透的分光棱鏡上被分為兩束光Uo和Ur。這兩束光分別照射具有漫反射特性的被測物表面D和參考面D’，反射后的兩束光再次通過分光棱鏡，同時入射到CCD相機的成像靶面上，并發(fā)生干涉產(chǎn)生散斑圖案。相機將在靶面干涉形成的散斑圖案轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號并經(jīng)過數(shù)字圖像采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像顯示在計算機屏幕上，或被儲存在計算機的硬盤中。經(jīng)過進一步計算就能得出被測物體的變形及缺陷信息。

2 實驗材料

實驗材料:實驗的材料是來自中國科學院西安光學精密機械研究所的直徑為180毫米的碳纖維凹形圓板，如3圖所示。

圖3 180毫米的碳纖維凹形圓板

3 實驗步驟及結(jié)果

實驗準備:首先將測試試件表面噴上啞光白漆并晾干，將測試試件以及一維離面位移相移電子散斑干涉儀固定在防震平臺上且保證試件與儀器之間的距離為680毫米(試件與固定裝置之間墊了層紙以減少熱損失)，如圖1所示，并將圖1中圓盤試件換為要測的實驗材料。

利用空調(diào)對實驗室進行加熱，以實現(xiàn)對實驗材料的間接溫和加熱，把空調(diào)溫度調(diào)到30℃并且把風速調(diào)到最小，減小對空間的空氣擾動。

當時室溫為20℃，利用軟件采集四幅圖像作為初始數(shù)據(jù)，然后開始加熱，加熱開始時間為12:00，空調(diào)加熱2小時后整個實驗室室溫明顯上升，用測溫儀測得圓板表面的上下左右溫度依次為24 ℃、23.9 ℃、24 ℃、23.7 ℃，采下后四幅圖像后得出變形條紋圖，如圖4所示條紋比較光滑。

圖4 升溫后條形圖

關閉空調(diào)使得環(huán)境溫度下降，圓板的溫度也逐漸下降，當圓板的溫度降至室溫時出現(xiàn)以下條紋圖，如圖5所示條紋幾乎成橫直線。

圖5 降溫后條形圖

綜合以上兩幅圖，我們可以得知當圓板的表面各部分溫度等值升高或降低時，圓板的變形大小也是相同的。因而這塊材料的熱膨脹性是比較好的。滿足中國科學院西安光學精密機械研究所對材料檢測的要求。

4 結(jié) 論

伴隨著微電子技術、計算機技術和無損檢測有關的學科的發(fā)展，無損檢測技術以前所未有的速度飛速發(fā)展。從每一種無損檢測新技術的產(chǎn)生、發(fā)展到應用不難看出，工業(yè)需求和新材料新工藝的研究是無損檢測技術創(chuàng)新的第一源泉，技術自身發(fā)展和完善是無損檢測技術創(chuàng)新的動力，推廣應用是無損檢測新技術追求的最終目標。由于我國航空事業(yè)的快速發(fā)展，航空產(chǎn)品的檢測方面也存在著很大的需求。而飛機典型復合材料結(jié)構(gòu)損傷的檢測在飛機的制造中需求越來越大，其內(nèi)部的缺陷和缺陷的大小對材料性能有著很大的影響，如何快速、準確地對其進行無損檢測，有著重要的實用價值。本文介紹的基于電子散斑干涉技術的一維離面電子散斑干涉儀在復合材料無損檢測中有著重要的應用。

［1］王自明.無損檢測綜合知識［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［2］唐義號.飛機典型復合材料結(jié)構(gòu)損傷力學性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2005.

［2］邢磊.鋼鐵磁導率無損檢測綜述［J］.大學物理實驗，2013(6):31-35.